模块七磁敏传感器及其应用

1、模块七 磁敏传感器及其应用 课题一 霍尔元件的工作原理 任务目标 熟悉霍尔效应的原理和霍尔电压的影响因素； 了解霍尔元件的主要技术参数、材料及结构； 掌握霍尔集成电路的功能特点，了解典型霍尔集成电路的参数； 选用霍尔集成电路设计一个投放铁制取水牌自动供水的控制电路。任务：自动供水装置电路的设计一、磁敏传感器概述 在传感器中，有一类是对磁信号变化敏感的，称为磁敏传感器。这类传感器主要包括霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏集成电路及接近开关等。它们都是利用材料内部的载流子在磁场作用下改变运动方向这一特性制成的一种磁传感器。另外，还有利用电磁感应原理制作的磁电感应传感器。磁敏传感器

2、的应用分为两大类，即直接应用和间接应用。直接应用主要是磁量测量，包括测量磁场强度的各种磁场计；间接应用主要是以磁场为媒介检测非磁电量和非磁非电量，如电流、功率、频率、相位等和厚度、位移、振动、转速、流量、压力等。 二、霍尔传感器 霍尔传感器包括分立的霍尔元件和集成的集成霍尔传感器。1霍尔元件（1）霍尔元件的工作原理霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件，图7-1所示为霍尔效应的原理图。在一片半导体薄片两端面通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上半导体薄片两端将产生电势UH（称为霍尔电势或霍尔电压），这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于

3、运动电荷在磁场中受到洛伦兹力作用的结果。 霍尔效应的原理图 洛伦兹力fL使电子横向偏移运动，而霍尔电场建立之后又对电子施加电场力fE，电场力的方向与洛伦兹力相反，阻止电荷的积累，最终达到动态平衡，这时fL=fE。霍尔电压：HHHRIBUIBK IBneHH（7-5） 式中，记RH=1/(ne)，其大小取决于导体载流子密度，它反映元件霍尔效应的强弱，称为霍尔系数；KH=RH/H，与霍尔系数成正比，与霍尔元件厚度成反比，称为霍尔灵敏度。 霍尔效应的原理图 通过以上分析，可以看出： 霍尔电压UH的大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH变小，故不宜做霍尔元件。霍尔元件一般采用N

4、型半导体材料。 霍尔电压UH与元件的尺寸有关。元件的厚度H越小，KH越大，UH也越大，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但太小，会使元件的输入、输出电阻增大，故也不宜太薄。 当元件的材料和尺寸确定后，RH和KH保持常数，霍尔电压UH仅和IB的乘积成正比。利用这一特性，在恒定电流下，可用来测量磁感应强度B；反之，在恒定的磁场下，也可以用来测量电流I。当KH和B恒定时，I越大，UH越大，但电流不宜过大，否则会烧坏霍尔元件。 （2）霍尔元件的主要技术参数 额定控制电流Ic及最大允许控制电流Icm。在磁感应强度B=0时，霍尔元件在空气中产生10温升时所对应的控制电流，称为额定控制电流，一般用Ic表示。Ic的

5、大小与霍尔芯片的尺寸有关，尺寸越小，Ic越小，一般为几毫安到几十毫安。由于霍尔元件的输出电势随控制电流的增大而增大，所以在实际使用中总希望选用较大的控制电流值。最大允许控制电流是以霍尔元件允许的最高温升值为限制所对应的控制电流，一般用Icm表示。改善霍尔元件的散热条件，可以增大最大允许控制电流Icm的值。 输入电阻Rin和输出电阻Rout。霍尔元件两个控制电流极之间的电阻称为输入电阻，用Rin表示，两个输出极之间的电阻称为输出电阻，用Rout表示，单位为。霍尔元件的输入电阻与输出电阻一般为几欧姆到几百欧姆，通常输入电阻的阻值大于输出电阻，但相差不多。 不等位电势U0和不等位电阻R0。霍尔元件在

6、额定控制电流作用下，在无外加磁场时（B=0），霍尔电极间的霍尔电势理想值应为零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势，用U0表示。产生不等位电势的原因很多，主要是由于两个电极没有装配在同一等位面上所致，也与材料的电阻率不均匀、基片的宽度和厚度不一致及电极与基片之间接触的位置不对称或电接触不良有关。不等位电势U0与额定控制电流Ic之比称为霍尔元件的不等位电阻，一般用符号R0表示。实际应用中U0和R0越小越好。 灵敏度。灵敏度包括霍尔灵敏度KH和磁灵敏度SB。霍尔灵敏度KH又称乘积灵敏度，也可用SH表示，它是指霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度作用下输出极开路时的霍尔电压，单位为

7、V/（TA）（磁感应强度有两个单位，国际单位是特斯拉，符号为T，另一个单位是高斯，符号为Gs，1T=104Gs）。磁灵敏度SB是指霍尔元件在额定控制电流和单位磁感应强度作用下，输出极开路时的霍尔电压，单位为V/T。磁灵敏度与霍尔灵敏度的区别在于前者是反映在规定控制电流下，霍尔元件对磁感应强度的检测能力，它仅与磁感应强度有关，而后者是霍尔元件本身所具有的磁电转换能力的参量，一般来说SBSH。 寄生直流电势UOD。在不外加磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电势称为寄生直流电势，一般用符号UOD表示，单位为mV。它主要是由电极与基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。

8、温度系数。温度系数有霍尔电势温度系数和内阻温度系数。霍尔电势温度系数是指霍尔元件在一定的磁感应强度和规定控制电流下，温度每变化1时，霍尔电势值变化的百分率，常用符号表示。这一参数对测量仪器十分重要，若仪器要求精度高，要选择霍尔电势温度系数小的元件。另外，必要时还要加温度补偿电路。内阻温度系数b 是指温度每变化1时，霍尔元件材料的电阻变化率，常用符号b 表示。 （3）霍尔元件的材料及结构 霍尔元件的材料。霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH越大，UH越大。而霍尔灵敏度又取决于元件的材料性质和尺寸，可以证明霍尔系数等于霍尔元件材料的电阻率与电子迁移率 的乘积（RH= ）。只有半导体材料，它既有很高的载

9、流子迁移率，又具有电阻率较大的特点，可以获得很大的霍尔系数，适合用于制造霍尔元件。 霍尔元件的结构。 霍尔元件的结构2集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术，将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、稳压电源及输出电路等做在一个芯片上而制成的一个简化的和比较完善的磁敏传感器，由于其外形与集成电路相同，故也称为霍尔集成电路。按其输出信号的形式可分为开关型和线性型两种。 开关型集成霍尔传感器的内部结构。图7-5所示为一种单极开关型集成霍尔传感器的结构框图，它主要由稳压电路、霍尔电压发生器（霍尔元件）、差分放大器、施密特触发器（整形电路）及集电极开路的输出级五部分组成。当有磁场作用在霍尔开

10、关集成传感器上时，霍尔电压发生器将磁信号转变成电压信号输出，该电压经差分放大器放大后，送至施密特整形电路，当放大后的霍尔电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使三极管VT导通，具有灌电流（吸收负载电流）的能力，整个电路处于“开”状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后，其值仍小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使三极管VT截止，电路处于“关”状态。这样，一次磁感应强度的变化就使传感器完成了一次开关动作。 内部结构框图 开关型集成霍尔传感器的工作特性。图7-6（a）所示为单极开关型集成霍尔传感器的特性曲线，从中可以看出，其工作

11、有一定的磁滞BH，使开关动作更可靠。 图7-6 开关型集成霍尔传感器的工作特性 （2）线性型集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器的输出为模拟电压信号，并且与外加磁场呈线性关系。从输出形式来看，线性集成霍尔传感器可分为单端输出型和双端输出（差分输出）型两种电路。 单端输出型。典型的单端输出型线性霍尔传感器由稳压电路、霍尔电压发生器、线性放大器和射极跟随器等组成，其简化结构框图如图7-7所示。国产霍尔传感器CS3501属于单端输出型线性霍尔集成电路，其输出电压与磁感应强度的关系如图7-8（a）所示 。 图7-7 单端输出型线性霍尔传感器简化结构框图 图7-8 CS3501磁电转换特性曲线和外形封装图

12、 从图中可以看出，在磁感应强度为（-0.15+0.15）T时，集成霍尔传感器具有较好的线性，而当磁感应强度超过此值时，呈饱和状态。 双端输出型。典型的双端输出型集成霍尔传感器主要由稳压电路、霍尔信号发生器、差分放大器及差分射极跟随器输出级等组成。图7-9 双端输出型集成霍尔传感器原理图 UGN3501K的引脚、为差动输出端，脚接地，脚为的引脚、为差动输出端，脚接地，脚为VCC；UGN3501LI引引脚定义有所不同，、两脚为差动输出，脚为内部电源输出，脚为脚定义有所不同，、两脚为差动输出，脚为内部电源输出，脚为VCC，脚接地，、三脚之间外接一电位器，主要用于对不等位电势进行补偿，还脚接地，、三脚

13、之间外接一电位器，主要用于对不等位电势进行补偿，还可以改善线性，但灵敏度有所降低。可以改善线性，但灵敏度有所降低。 图7-10 UGN3501LI输出电压与磁感应强度的关系 由图可知，当由图可知，当其、脚间接其、脚间接不同阻值的电阻不同阻值的电阻时，同一磁场强时，同一磁场强度下，阻值越大，度下，阻值越大，输出越低，但线输出越低，但线性度越好。性度越好。UGN3501K的的输出电压与磁感输出电压与磁感应强度的关系曲应强度的关系曲线与线与UGN3501LI在在R5-6=0时的关时的关系曲线相同。系曲线相同。差分输出电压差分输出电压极性与磁场方向极性与磁场方向有关。有关。 自动供水装置电路的设计任务

14、分析： 要求将取水牌（铁材料制成）投入到投牌口后，自动打开水龙头，水被放出来，延时一定时间后自动关闭水龙头 。按照控制功能要求，控制电路结构框图如图7-12所示。磁检测装置检测到铁制取水牌后，输出一个脉冲电压信号触发延时电路，延时电路翻转输出一个持续一定时间的高电平，用此高电平控制开关电路，开关电路接通执行机构（电磁阀）的电源开始放水，时间到后开关电路被断开，从而关闭了水龙头。 图7-12 控制电路结构框图 任务设计 ：自动供水控制电路如图7-13所示。开关型霍尔传感器CS3020为磁检测装置，555时基电路构成单稳延时电路，为了得到单稳触发所需的低电平，由VT构成反相器；开关控制电路是固态继

15、电器；执行机构是不锈钢电磁阀。220V的交流电压经降压、整流、滤波，最后由稳压器W7809输出9V直流电压作为控制电路直流电源向电路供电。 自动供水控制电路 CS3020是三端器件，当磁铁S极距离CS3020较近时，敏感区检测到磁感应强度较大，由磁电转换特性曲线知其输出端输出低电平即“开”；当S极和CS3020间的空气间隙有铁金属物质（取水牌）通过时，在通过一瞬间，原来穿过传感器敏感区的磁感应线被铁物质旁路，磁感应线回路不经过磁敏感区，导致传感器检测到的磁感应强度很小，从而输出高电平即“关”；铁物质通过后，传感器再次检测到强的磁感应强度而输出低电平。可见，取水牌通过传感器一瞬间，传感器输出高电

16、平，其他时间传感器输出的都是低电平。将传感器输出信号送入反相器，则仅取水牌投入到投牌口后，才会产生一个短暂的低电平信号（单次负脉冲）。CS3020内部结构框图555是广泛应用的定时器，器件功能见表7-5。将脚6、脚7连接到RC充电电路的电容一端，构成单稳触发电路，其稳定状态是脚3输出低电平，不稳定状态是脚3输出高电平，高电平持续时间即延时时间由RC充电电路决定；触发条件是在脚2上输入单次负脉冲信号，所需脉冲信号正好是取水牌投入后产生的。 阶段小结本课题主要介绍了霍尔效应、霍尔传感器（包括霍尔元件、集成霍尔传感器）及霍尔元件的主要特性参数，和一个使用霍尔传感器的自动供水控制电路。通过磁电效应，磁

17、感应强度的变化可转变为电信号。磁敏传感器就是把磁学物理量转换成电信号的传感器。由于磁场对运动电荷具有洛伦兹力作用，通以电流的半导体受到磁场作用会产生电势UH，此即霍尔效应现象。霍尔电势UH=KHIBcos，其中KH 为霍尔常数，其大小与霍尔片的材料和尺寸有关， 为磁场方向与霍尔片法向夹角。以此为基础制造有霍尔元件和霍尔集成电路两种类型的霍尔传感器。霍尔集成电路是把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上的集成电路，与霍尔元件相比，霍尔集成电路使用方便，更具有微型化、可靠性高、寿命长、功耗低及负载能力强等优点。霍尔集成电路按输出信号的形式不同，集成霍尔传感器可分为开关型和线性型两

18、种。开关型霍尔传感器根据检测的磁感应强度大小输出高低两个电压电平，线性型霍尔传感器输出一个与检测的磁感应强度信号成正比的电压信号。课题二 其他磁敏器件任务：自动统计钢球生产个数装置电路的设计 任务目标 熟悉磁敏电阻的原理，了解磁敏电阻的基本结构和特性参数； 熟悉磁敏二极管、磁敏三极管的结构、原理及特性； 利用磁敏器件设计一个自动统计小钢球生产个数的电路。磁敏电阻是利用磁电阻效应制成的磁敏元件，也称为MR传感器。所谓磁电阻效应是指某些材料的电阻值随磁场而变化的现象。磁电阻效应的大小与元件的迁移率和几何形状有关；前者称为物理磁电阻效应，后者称为几何磁电阻效应。按照所用感磁材料不同，磁敏电阻有半导体

19、材料构成的半导体磁敏电阻和金属材料构成的强磁性薄膜磁敏电阻。一、磁敏电阻无磁场时，元件的电流矢量一般呈直线状，当磁场垂直加在元件表面上时，由于霍尔电场和洛伦兹力的作用，电流矢量偏离合成电场方向 角（霍尔角，如图7-20（c）所示），电流经过的路径就变长了，于是电阻值也相应地增加。其中的电流矢量随磁场而异，阻值也就随着磁场而变化，称为物理磁阻效应。为了使磁敏电阻的磁阻效应更为显著（即灵敏度高），必须选用载流子迁移率大的材料。 1半导体磁敏电阻 磁阻效应示意图2强磁性薄膜磁敏电阻 强磁性薄膜磁敏电阻是基于强磁性磁敏效应的，这种效应的基本特征是在电流方向平行磁化方向（外部磁场方向）时材料的电阻率与在

20、电流方向垂直磁化方向时的电阻率不同，即因强磁材料的磁化方向与电流方向夹角不同，其阻值有所不同。此现象称为磁各向异性效应（简称AMR）。如图7-22所示，若沿着一条长而薄的铁磁合金（铁镍合金）带的长度方向加一个电流，在沿薄片垂直电流的方向施加一个磁场，合金带自身的阻值会发生变化。磁化方向平行于电流方向时强磁性薄膜磁敏电阻阻值最大，磁化方向垂直于电流方向时强磁性薄膜磁敏电阻阻值最小。 强磁性磁敏效应示意图（1）灵敏度KRB/R0的比值称为磁敏电阻的灵敏度。R0为无磁场时元件的阻值，RB是磁场强度为B时的电阻值。有的厂家也用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示。（2）磁阻特性曲线（B-R特性）某型号磁

21、敏电阻的电阻值R随磁感应强度B变化的曲线如图7-24所示。磁敏元件的电阻值与磁场的极性无关，只随磁场强度的增加而增加。（3）温度系数温度每变化1时，磁敏电阻的相对变化（%/）称为温度系数。为了补偿磁敏电阻的温度特性，可以采用两个磁敏电阻串联，用分压输出，可大大改善元件的温度特性。 3磁敏电阻的主要特性图7-24 磁阻特性曲线 二、磁敏二极管与磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管具有响应快、无触点、输出功率大及性能稳定等特点，有很高的灵敏度，可以在较弱的磁场条件下获得较大的输出电压，这是霍尔元件和磁敏电阻所不及的。它不但能检测出磁场大小，并且能测出磁场方向，体积小、测试电路简单，所以特别适合制作无触

22、点开关、小量程高斯计、漏磁测量仪、磁力探伤仪等仪器和仪表。1磁敏二极管（1）磁敏二极管的结构和工作原理磁敏二极管是一种电阻值随磁场强度的大小和方向均改变的结型二端磁敏元件。 图7-26 磁敏二极管的结构与符号 高复合区本征区低复合面磁敏二极管是采用电子空穴双重注入效应及复合效应原理工作的。当加上正向电压时，二极管的阻值将随磁场的大小和方向而改变，并且随着磁场大小和方向的变化可产生正/负输出电压的变化，利用这一点可以判别磁场方向。若在磁敏二极管上加上反向电压，仅有微小电流流过，并且几乎与磁场无关，两端的电压也不会因受到磁场作用而有任何改变。因此磁敏二极管只能在正向电压下工作。 图7-27 磁敏二

23、极管工作原理图 （2）磁敏二极管的主要技术参数 灵敏度。灵敏度是指在恒定电压（6V）作用下，磁感应强度由B=0变为B=0.1T时所引起的磁敏二极管工作电流的相对变化量，即00I00100%100%0.1IIIISB II电流相对灵敏度0I0.1IIISB 电流绝对灵敏度电压相对灵敏度 电流恒定电流恒定（I=3mA）0U0100%0.1UUSU 磁电特性。磁敏二极管的磁电特性是指在一定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系，其特性曲线如图7-28所示。在弱磁场及一定的工作电流下，曲线有较好的线性，在强磁场下则呈非线性。0U0.1UUUSB电压绝对灵敏度 伏安特性。伏安特性是指在给定磁

24、场下磁敏二极管两端正向偏压和其中通过的电流关系。如图7-29所示是磁敏二极管在不同磁感应强度时的伏安特性曲线。由曲线可见，通过磁敏二极管的电流越大，则在一定磁场强度下输出电压越大，磁灵敏度越高。图7-28图7-29 温度特性。磁敏二极管的温度特性是指在标准测试条件下，其输出电压的变化量U随温度变化的规律。图7-30所示为磁敏二极管的温度特性曲线，温度越高，工作电压和灵敏度均下降得越多。图7-30 磁敏二极管的温度特性曲线 （3）应用实例 位移测量：利用两个磁敏二极管可以组成差动输出式位移传感器，其结构及电路如图7-31所示。导磁板放置在两个磁敏二极管的中间，当导磁板向右或向左移动时，磁敏二极管

25、VD2和VD1因离导磁板距离发生变化，导致其电阻的改变，电桥失去平衡，输出与位移成比例的信号。测量出电信号，就可以计算出位移量。图7-31 位移传感器电路 2磁敏三极管 （1）磁敏三极管的结构和工作原理图7-32所示为NPN型磁敏三极管的结构和电路符号。磁敏三极管有两个PN结，其中发射极e和基极b之间的PN结是长基区二极管，在长基区i区的侧面设置一高复合区（r区）。图7-33 磁敏三极管的工作原理 综上所述，磁敏三极管工作原理与磁敏二极管完全相综上所述，磁敏三极管工作原理与磁敏二极管完全相同。无外界磁场作用时，由于同。无外界磁场作用时，由于i区较长，在横向电场作区较长，在横向电场作用下，发射极电流大部分形成基极电流，小部分形成用下，发射极电流大部分形成基极电流，小部分形成集电极电流。在正向或反向磁场作用下，会引起集电集电极电流。在正向或反向磁场作用下，会引起集电极电流的减小或增加，即三极管的极电流的减小或增加，即三极管的 值是随磁场变化值是随磁场变化而变化的。因此，可以用磁场方向控制集电极电流的而变化的。因此，可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减小，用磁场的强弱控制集电极电流增加或减增加或减小，用磁场的强弱控制集电极电流增加或减小的变化量。小的变化量。（2）磁敏三极管的主要技术参数 灵敏度h。磁敏三极管的灵敏度有正向灵敏度和负向灵敏度两种，它们表示当